Niederfrequenztechnik

Entwicklungen und Prototypen:
schnelle oder rauscharm dimensionierte MOS-FET-PA im A-Betrieb
schnelle oder rauscharm dimensionierte MOS-FET-PA im AB-Betrieb mit 150 W rms
rauscharmer Vorverstärker
Röhrensound mit Triode als Zwischenverstärker

schnelle MOS-FET-PA

Leistungs-MOS-FETs leistungslos anzusteuern schöpft die Fähigkeiten eines MOS-FET bei Weitem nicht aus. Obere Grenzfrequenz und Einschaltzeiten werden im Wesentlichen durch die Art und Weise bestimmt, mit der die MOS-FETs getrieben werden. Hochfrequenzschaltungstechnik ist gefordert. Darum haben wir hier eine Schaltung entwickelt, die die Gate-Kapazitäten der MOS-FETs in der Endstufe mit großen Strömen laden und entladen kann. Die Treiberschaltung ist eine kombinierte Basis-Kollektorschaltung mit bipolaren Transistoren, eine Stromquelle, die schnell über 1/4 A liefern kann. Der grundlegende Unterschied zu üblichen MOS-FET-PAs ist also, dass diese Schaltung von Anfang an für die Übertragung von steilen Flanken/Spannungssprüngen und nicht für die Übertragung von harmonischen Signalen konstruiert wurde. Diese Schaltung befindet sich bei uns noch in der Entwicklung und wird komplett in Spice berechnet. Die Stabilitätsprobleme konnten durch zwei Gegenkopplungsstrompfade beseitigt werden. Schenken Sie einmal dem Gate-Strom-Diagramm Ihre Aufmerksamkeit. Die schnelle MOS-FET-PA muss für Rechteckbetrieb etwas höher kompensiert werden als hier angegeben und 10 Ohm Gate-Widerstände sind erforderlich um ein Ausschwingen des Gate Stromes zu vermeiden.

Diese Endstufe läßt sich auch auf maximalen Rauschabstand in einer High-End-Version dimensionieren.

Literaturverweise: Halbleiterschaltungstechnik - Tieze/Schenk, Analoge Schaltungen - Seifart, Elektronik - Müseler/Schneider, The Art of Electronics - Horowitz/Hill

Der Vergleich mit einer identischen Endstufe ohne Gate-Strom-Booster zeigt: Kleinsignalbandbreite, Großsignalbandbreite, Slew-Rate und Klirrfaktor sind etwa doppelt so gut, das Rauschverhalten ist identisch. Die hier betrachtete einfache Endstufe kann auch schon einiges an Gate-Strom liefern.

schnelle MOS-FET-PA	einfache MOS-FET-PA

Kleinsignal-Übertragungsfunktion:	Kleinsignal-Übertragungsfunktion:

Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:	Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:

Einschwingverhalten:	Einschwingverhalten:

Gate-Strom beider MOS-FETs bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:	Gate-Strom beider MOS-FETs bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:

Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 13 Wrms Rechteckbetrieb:	Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 13 Wrms Rechteckbetrieb:

Ausgangsspannung bei 13 Wrms Rechteckbetrieb (kompensiert):	Ausgangsspannung bei 13 Wrms Rechteckbetrieb:

High-End-MOS-FET-PA mit 150 W rms in Class AB-Betrieb

MOS-FET-PA im 150 W-AB-Betrieb mit Gate-Strom-Treibern für optimalen Rechteckbetrieb. Die Kompensation ist auf ein Überschwingen von 3 % eingestellt. Hier zwei Dimensionierungsversionen. Sie unterscheiden sich im Ruhestrom des Differenzverstärkers und der Kompensation.

schnelle MOS-FET-PA	High-End-MOS-FET-PA

Kleinsignal-Übertragungsfunktion:	Kleinsignal-Übertragungsfunktion:

Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:	Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:

Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:	Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:

Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:	Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:

Ausgangsspannung bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:	Ausgangsspannung bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:

rauscharmer Vorverstärker:

Rauscharmer Vorverstärker mit Operationsverstärkern vom Typ OPA1612 und OPA134. Der Regelbereich für Bässe, Mitten und Höhen beträgt etwa +/- 15 dB. Die notwendige Verstärkung wurde in die erste Stufe gelegt um das Rauschen zu minimieren. Die Gegenkopplungspfade wurden nochmals zu Gunsten des Rauschens niederohmig ausgelegt.

Vorverstärker:

Kleinsignal Übertragungsfunktion:

volles Ausgangssignal bei 500 kHz:

Slew-Rate und Einschwingverhalten:

Klirrfaktor:

äquivalente Eingangsrauschspannung:

Röhrenverstärker-Sound mit Triode u. nichtlinearem Übertrager im Signalweg:

Eine große Anzahl von Musikliebhabern empfinden den Sound von Natural Sound und Hi-Fi- bzw. High-End-Halbleiterverstärkern subjektiv als "kalt" und "langweilig". Dieses Effektgerät erzeugt den gewünschten Röhrensound durch Einfügen einer Pentode, als Triode geschaltet, und eines nicht linearen Übertragers in den Signalweg. Der typische Röhrensound entsteht durch die Nichtlinearität der Röhre Ik=kx(Ust)^3/2) und des Übertragers. Der sehr rauscharme Operationsverstärker sorgt für die Aussteuerung der Röhre.

Die Eingangs- und Ausgangsspannung beträgt bei dieser Dimensionierung etwa 500 mVs. Die Aussteuerung der Röhre wird mit R6 (Aussteuerung 0 Ohm bis 330 Ohm) eingestellt. Mit R1 (Anodenstrom 180 Ohm + 470 Ohm Poti) der Anodenstrom. Der Klirrfaktor des 1 kHz-Signals beträgt bei 2.1 mAss Anodenwechselstrom der Röhre 2.33 % bei dieser Aussteuerung der Röhre.

Anmerkung: Eine Simulation in LTspice mit einem Mono-wav-File hat gezeigt, dass das Ergebnis gut brauchbar ist. [Simulationsergebnis 1] [Simulationsergebnis 2]

Danke an Andreas Fecht und Alexander Bordodynov/Russia, die daran mitgearbeitet haben.

Effektgerät:
Gitter 3 auf Kathode

Kleinsignal Übertragungsfunktion:

Ein- u. Ausgangssignal 1 kHz, mittlere Einstellung:

Spektrum des verzerrten 1 kHz-Signals: